Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Phân tích hệ phát sinh chủng loại của các gen liên quan đến việc tổng hợp carotenoid ở tảo
Tóm tắt
Carotenoid đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ năng lượng ánh sáng cho quá trình quang hợp, đồng thời bảo vệ chất diệp lục khỏi sự tổn thương do ánh sáng. Khác với Streptophyta, rất ít nghiên cứu đã xem xét các con đường tổng hợp carotenoid ở tảo do sự thiếu hụt dữ liệu. Là một phần của Dự án 1000 Loài Thực vật, chúng tôi đã giải trình tự và lắp ghép các trang thái transcrip của 41 loài tảo macroalgal biển, bao gồm 22 loài rhodophyte và 19 loài phaeophyte, sau đó kết hợp các bộ dữ liệu này với dữ liệu công khai từ GenBank (Trung tâm Thông tin Công nghệ Sinh học Quốc gia) và Viện Gen Đồng Bộ của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Kết quả là, chúng tôi đã xác định được 68 và 79 homologs đầy đủ chiều dài trong Rhodophyta và Phaeophyceae, tương ứng, trong bảy gen tổng hợp carotenoid được suy diễn, bao gồm các gen cho phytoene synthase (PSY), phytoene desaturase (PDS), ζ-carotene desaturase (ZDS), ζ-carotene isomerase (Z-ISO), prolycopene isomerase (crtISO), lycopene β-cyclase (LCYB), và lycopene ε-cyclase (LCYE). Chúng tôi đã phát hiện rằng lịch sử tiến hóa của con đường tổng hợp carotenoid ở tảo phức tạp hơn so với con đường tương tự ở Streptophyta và, cụ thể hơn, lịch sử tiến hóa liên quan đến việc chuyển giao gen nội cộng sinh, nhân bản gen và mất mát gen. Hầu hết tất cả các loài tảo nhân thực mà chúng tôi xem xét đều đã kế thừa bảy gen tổng hợp carotenoid thông qua việc chuyển giao gen nội cộng sinh. Hơn nữa, PSY, crtISO, và gen cyclase lycopene tổ tiên (LCY) đã trải qua các sự kiện nhân bản dẫn đến nhiều bản sao gen, và sự nhân bản và sự phân kỳ sau đó của LCYB và LCYE đã làm chuyên biệt hóa và phức tạp hóa quá trình cycl hóa của lycopene. Các phát hiện của chúng tôi cũng khẳng định rằng sự mất mát của LCYE ở cả các loài rhodophyte và phaeophyte vi mô giải thích sự khác biệt trong các mẫu carotenoid của chúng, so với các loài rhodophyte đại mô. Những phân tích này cung cấp một cơ sở phân tử cho sự xác nhận sinh hóa và sinh lý tiếp theo ở các loài tảo bổ sung và nên giúp làm sáng tỏ nguồn gốc và tiến hóa của các con đường tổng hợp carotenoid.
Từ khóa
#carotenoid #tảo #tổng hợp carotenoid #phytoene synthase #phytoene desaturase #nghiên cứu hệ phát sinh chủng loạiTài liệu tham khảo
Bartnikas T B, Tosques I E, Laratta W P, et al. 1997. Characterization of the nitric oxide reductase-encoding region in Rhodobacter sphaeroides 2.4.3. J Bacteriol, 179(11): 3534–3540
Bhattacharya D, Medlin L. 1998. Algal phylogeny and the origin of land plants. Plant Physiol, 116(1): 9–15
Breitenbach J, Sandmann G. 2005. ζ-Carotene cis isomers as products and substrates in the plant polycis carotenoid biosynthetic pathway to lycopene. Planta, 220(5): 785–793
Cavalier-Smith T. 1999. Principles of protein and lipid targeting in secondary symbiogenesis: euglenoid, dinoflagellate, and sporozoan plastid origins and the eukaryote family tree. J Eukaryot Microbiol, 46(4): 347–366
Chai Chenglin, Fang Jun, Liu Yang, et al. 2011. ZEBRA2, encoding a carotenoid isomerase, is involved in photoprotection in rice. Plant Mol Biol, 75(3): 211–221
Chen Qian, Jiang Jianguo, Wang Fei. 2007. Molecular phylogenies and evolution of crt genes in algae. Crit Rev Biotechnol, 27(2): 77–91
Chen Yu, Li Faqiang, Wurtzel E T. 2010. Isolation and characterization of the Z-ISO gene encoding a missing component of carotenoid biosynthesis in plants. Plant Physiol, 153(1): 66–79
Cui Hongli, Wang Yinchu, Qin Song. 2011. Molecular evolution of lycopene cyclases involved in the formation of carotenoids in eukaryotic algae. Plant Mol Biol Rep, 29(4): 1013–1020
Cunningham F X, Gantt E. 1998. Genes and enzymes of carotenoid biosynthesis in plants. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 49: 557–583
Cunningham F X Jr, Lee H, Gantt E. 2007. Carotenoid biosynthesis in the primitive red alga Cyanidioschyzon merolae. Eukaryot Cell, 6(3): 533–545
Cunningham F X, Pogson B, Sun Zairen, et al. 1996. Functional analysis of the ß and e lycopene cyclase enzymes of Arabidopsis reveals a mechanism for control of cyclic carotenoid formation. Plant Cell, 8(9): 1613–1626
Cunningham F X, Sun Zairen, Chamovitz D, et al. 1994. Molecular structure and enzymatic function of lycopene cyclase from the cyanobacterium Synechococcus sp strain PCC7942. Plant Cell, 6(8): 1107–1121
Dogbo O, Laferriére A, D’Harlingue A, et al. 1988. Carotenoid biosynthesis: Isolation and characterization of a bifunctional enzyme catalyzing the synthesis of phytoene. Proc Natl Acad Sci USA, 85(19): 7054–7058
Douzery E J P, Snell E A, Bapteste E, et al. 2004. The timing of eukaryotic evolution: does a relaxed molecular clock reconcile proteins and fossils?. Proc Natl Acad Sci USA, 101(43): 15386–15391
Frigaard N U, Maresca J A, Yunker C E, et al. 2004. Genetic manipulation of carotenoid biosynthesis in the green sulfur bacterium Chlorobium tepidum. J Bacteriol, 186(16): 5210–5220
Giuliano G, Giliberto L, Rosati C. 2002. Carotenoid isomerase: a tale of light and isomers. Trends Plant Sci, 7(10): 427–429
Gruszecki W I, Strzalka K. 2005. Carotenoids as modulators of lipid membrane physical properties. Biochim Biophys Acta, 1740(2): 108–115
Hittinger C T, Carroll S B. 2007. Gene duplication and the adaptive evolution of a classic genetic switch. Nature, 449(7163): 677–681
Isaacson T, Ohad I, Beyer P, et al. 2004. Analysis in vitro of the enzyme CRTISO establishes a polycis-carotenoid biosynthesis pathway in plants. Plant Physiol, 136(4): 4246–4255
Johnson M T J, Carpenter E J, Tian Zhijian, et al. 2012. Evaluating methods for isolating total RNA and predicting the success of sequencing phylogenetically diverse plant transcriptomes. PLoS One, 7(11): e50226
Keeling P J, Palmer J D. 2008. Horizontal gene transfer in eukaryotic evolution. Nat Rev Genet, 9(8): 605–618
Klassen J L. 2010. Phylogenetic and evolutionary patterns in microbial carotenoid biosynthesis are revealed by comparative genomics. PLoS One, 5(6): e11257
Krubasik P, Sandmann G. 2000. Molecular evolution of lycopene cyclases involved in the formation of carotenoids with ionone end groups. Biochem Soc Trans, 28(6): 806–810
Ladygin V G. 2000. Biosynthesis of carotenoids in the chloroplasts of algae and higher plants. Russ J Plant Physl, 47(6): 796–814
Li Ruiqiang, Li Yingrui, Kristiansen K, et al. 2008a. SOAP: short oligonucleotide alignment program. Bioinformatics, 24(5): 713–714
Li Faqiang, Murillo C, Wurtzel E T. 2007. Maize Y9 encodes a product essential for 15-cis-ζ-carotene isomerization. Plant Physiol, 144(2): 1181–1189
Li Tianyong, Ren Lei, Zhou Guan, et al. 2012. A suitable method for extracting total RNA from red algae. Transactions of Oceanology and Limnology (in Chinese), (4): 64–71
Li Faqiang, Vallabhaneni R, Wurtzel E T. 2008b. PSY3, a new member of the phytoene synthase gene family conserved in the Poaceae and regulator of abiotic stress-induced root carotenogenesis. Plant Physiol, 146(3): 1333–1345
Li Huanqin, Wang Wenlei, Wang Zhaokai, et al. 2016. De novo transcriptome analysis of carotenoid and polyunsaturated fatty acid metabolism in Rhodomonas sp. J Appl Phycol, 28(3): 1649–1656
Li Ruiqiang, Zhu Hongmei, Ruan Jue, et al. 2010. De novo assembly of human genomes with massively parallel short read sequencing. Genome Res, 20(2): 265–272
Lichtenthaler H K. 1987. Chlorophylls and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes. Method Enzymol, 148: 350–382
Lohr M, Im C S, Grossman A R. 2005. Genome-based examination of chlorophyll and carotenoid biosynthesis in Chlamydomonas reinhardtii. Plant Physiol, 138(1): 490–515
Lund A, Andersson P, Eriksson J, et al. 2008. Automatic fitting procedures for EPR s pectra of disordered systems: matrix diagonalization and perturbation methods applied to fluorocarbon radicals. Spectrochim Acta Part A, 69(5): 1294–300
Martin W, Herrmann R G. 1998. Gene transfer from organelles to the nucleus: how much, what happens, and why?. Plant Physiol, 118(1): 9–17
Martin W, Rujan T, Richly E, et al. 2002. Evolutionary analysis of Arabidopsis, cyanobacterial, and chloroplast genomes reveals plastid phylogeny and thousands of cyanobacterial genes in the nucleus. Proc Natl Acad Sci USA, 99(19): 12246–12251
Masamoto K, Wada H, Kaneko T, et al. 2001. Identification of a gene required for cis-to-trans carotene isomerization in carotenogenesis of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. Plant Cell Physiol, 42(12): 1398–1402
Matthews P D, Luo Ruibai, Wurtzel E T. 2003. Maize phytoene desaturase and ζ-carotene desaturase catalyse a poly-=Z desaturation pathway: implications for genetic engineering of carotenoid content among cereal crops. J Exp Bot, 54(391): 2215–2230
McFadden G I. 2001. Primary and secondary endosymbiosis and the origin of plastids. J Phycol, 37(6): 951–959
McFadden G I. 2001. Chloroplast origin and integration. Plant Physiol, 125(1): 50–53
Millen R S, Olmstead R G, Adams K L, et al. 2001. Many parallel losses of infA from chloroplast DNA during angiosperm evolution with multiple independent transfers to the nucleus. Plant Cell, 13(3): 645–658
Moriya Y, Itoh M, Okuda S, et al. 2007. KAAS: an automatic genome annotation and pathway reconstruction server. Nucleic Acids Res, 35(S2): W182–W185
Ni Ting, Yue Jipei, Sun Guiling, et al. 2012. Ancient gene transfer from algae to animals: mechanisms and evolutionary significance. BMC Evol Biol, 12: 83
Nisar N, Li Li, Lu Shan, et al. 2015. Carotenoid metabolism in plants. Mol Plant, 8(1): 68–82
Park H, Kreunen S S, Cuttriss A J, et al. 2002. Identification of the carotenoid isomerase provides insight into carotenoid biosynthesis, prolamellar body formation, and photomorphogenesis. Plant Cell, 14(2): 321–332
Ronquist F, Huelsenbeck J P. 2003. MrBayes 3: Bayesian phylogenetic inference under mixed models. Bioinformatics, 19(12): 1572–1574
Ruiz-Sola M Á, Rodríguez-Concepción M. 2012. Carotenoid biosynthesis in Arabidopsis: a colorful pathway. Arabidopsis Book, 10: e0158
Sandmann G. 1994. Carotenoid biosynthesis in microorganisms and plants. Eur J Biochem, 223(1): 7–24
Sandmann G. 2002. Molecular evolution of carotenoid biosynthesis from bacteria to plants. Physiol Plant, 116(4): 431–440
Sandmann G. 2009. Evolution of carotene desaturation: the complication of a simple pathway. Arch Biochem Biophys, 483(2): 169–174
Sievers F, Wilm A, Dineen D, et al. 2011. Fast, scalable generation of high-quality protein multiple sequence alignments using Clustal Omega. Mol Syst Biol, 7: 539
Stickforth P, Steiger S, Hess W R, et al. 2003. A novel type of lycopene ecyclase in the marine cyanobacterium Prochlorococcus marinus MED4. Arch Microbiol, 179(6): 409–415
Takaichi S. 2011. Carotenoids in algae: distributions, biosyntheses and functions. Mar Drugs, 9(6): 1101–1118
Takaichi S, Yokoyama A, Mochimaru M, et al. 2016. Carotenogenesis diversification in phylogenetic lineages of Rhodophyta. J Phycol, 52(3): 329–338
Tamura K, Peterson D, Peterson N, et al. 2011. MEGA5: molecular evolutionary genetics analysis using maximum likelihood, evolutionary distance, and maximum parsimony methods. Mol Biol Evol, 28(10): 2731–2739
Thompson J D, Gibson T J, Plewniak F, et al. 1997. The CLUSTAL_X windows interface: flexible strategies for multiple sequence alignment aided by quality analysis tools. Nucleic Acids Res, 25(24): 4876–4882
Timmis J N, Ayliffe M A, Huang C Y, et al. 2004. Endosymbiotic gene transfer: organelle genomes forge eukaryotic chromosomes. Nat Rev Genet, 5(2): 123–135
Tran D, Haven J, Qiu Weigang, et al. 2009. An update on carotenoid biosynthesis in algae: phylogenetic evidence for the existence of two classes of phytoene synthase. Planta, 229(3): 723–729
Vílchez C, Forján E, Cuaresma M, et al. 2011. Marine carotenoids: biological functions and commercial applications. Mar Drugs, 9(3): 319–333
Walter M H, Strack D. 2011. Carotenoids and their cleavage products: biosynthesis and functions. Nat Prod Rep, 28(4): 663–692
Yu Qiuju, Ghisla S, Hirschberg J, et al. 2011. Plant carotene cis-trans isomerase CRTISO: a new member of the FADred-dependent flavoproteins catalyzing non-redox reactions. J Biol Chem, 286(10): 8666–8676